邱光銀 陳保家 謝 航 汪新波

(1.三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;2.中核武漢核電運(yùn)行股份有限公司,武漢 430223)

奧氏體不銹鋼無(wú)磁性,且具有良好的塑性,極佳的耐腐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性[1],因而被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造和核電等行業(yè)的管道系統(tǒng)中.由于焊接工藝不完善以及工作環(huán)境惡劣,奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區(qū)容易出現(xiàn)腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷[2].斷裂力學(xué)研究表明,帶有尖銳邊緣的平面缺陷(如裂紋)危險(xiǎn)性最大,在受壓零件中,裂紋型缺陷在壁厚方向上的徑向長(zhǎng)度、缺陷距表面及其他缺陷的距離等都是關(guān)鍵性的尺寸[3].當(dāng)裂紋缺陷高度超過(guò)一定范圍,在壓力和腐蝕作用下將引起工件的徑向斷裂,其高度方向的缺陷尺寸直接決定著工件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命.在核電站和核動(dòng)力裝置的檢測(cè)規(guī)范和大綱(IWA-2232 APP.I)中,對(duì)奧氏體不銹鋼主回路管道焊縫的加工質(zhì)量及服役期間的狀況提出了無(wú)損檢測(cè)的強(qiáng)制性要求[4].

由于超聲波對(duì)平面缺陷非常敏感,因而成為奧氏體不銹鋼管道無(wú)損檢測(cè)的常用方法.但奧氏體不銹鋼組織不均勻,其粗大柱狀晶粒結(jié)構(gòu)和彈性各向異性造成超聲波在材料中傳播時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的扭曲、衰減和散射,使得常規(guī)超聲檢測(cè)方法難以對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行有效的定量檢測(cè).超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),相比常規(guī)超聲檢測(cè),超聲相控陣能夠產(chǎn)生可多角度偏轉(zhuǎn)的高強(qiáng)度聚焦聲束,大大提高了對(duì)材料的穿透力及缺陷定量檢測(cè)的靈敏度.

關(guān)于奧氏體不銹鋼焊縫(粗晶材料)缺陷的相控陣超聲檢測(cè)一直是熱點(diǎn)研究方向,國(guó)內(nèi)外均在此方面做了大量的研究,目前的研究主要集中于成像算法方面.Samson,Christopher A[5]等采用實(shí)現(xiàn)“每像素一樣本”可變采樣技術(shù)的數(shù)字接收波束形成器,與先前基于變量采樣的系統(tǒng)相比,該采樣相控陣(SPA)方法將所需的采樣率降低了3倍,并將數(shù)據(jù)捕獲率降低了2倍,能夠估算寬帶脈沖包絡(luò)帶寬精確至83.0%.Christian H?hne[6]等使用基于射線追蹤和分層結(jié)構(gòu)焊縫模型的合成孔徑聚集技術(shù)(SAFT)程序,重建了不同異種焊縫中橫向裂縫的圖像,得到了清晰可見的根部反射和裂縫尖端回波,能夠以良好的精度估計(jì)裂縫的尺寸和位置.Fan C[7]等人探究了兩種基于多頻時(shí)間反轉(zhuǎn)(TR)的成像算法:具有多信號(hào)分類(TRMUSIC)和相關(guān)的相位相干表格(PC-MUSIC)的時(shí)間反轉(zhuǎn)法,兩種算法都能夠分辨出比Rayleigh極限更近的橫向目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)超分辨率成像,可用于固體缺陷的無(wú)損評(píng)估成像.Shahjahan S[8]等基于全矩陣捕獲(FMC),結(jié)合基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰闹悄芎筇幚?補(bǔ)充以DORT方法(即時(shí)間反轉(zhuǎn)算子的分解),使用該特定的過(guò)濾方法可以顯著提高檢測(cè)粗晶結(jié)構(gòu)缺陷的能力.同時(shí),國(guó)內(nèi)也有多位學(xué)者對(duì)奧氏體不銹鋼裂紋缺陷開展了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究.李衍[9]采取了一種手工超聲相控陣技術(shù)對(duì)異種金屬余高焊縫進(jìn)行缺陷定量檢測(cè),其準(zhǔn)確性可達(dá)到美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)鍋爐壓力容器規(guī)范要求.彭國(guó)平[10]等采用超聲相控陣扇掃檢測(cè)技術(shù)對(duì)承壓設(shè)備焊縫根部的底面開口裂紋進(jìn)行檢測(cè),提出了超聲相控陣絕對(duì)傳播時(shí)間(AATT)法,可從單面單側(cè)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè).林莉[11]等通過(guò)對(duì)厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行概述,對(duì)于研究發(fā)展現(xiàn)狀,關(guān)鍵性技術(shù)及存在問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié).這些研究為后續(xù)的工作提供了指導(dǎo)和借鑒,但是目前國(guó)內(nèi)關(guān)于管道焊縫裂紋的超聲相控陣檢測(cè)定量及誤差分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少,開展對(duì)奧氏體不銹鋼管道焊縫裂紋缺陷的超聲相控陣檢測(cè)定量,并分析產(chǎn)生誤差的原因,可以更加了解不銹鋼焊縫區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裂紋缺陷的分布規(guī)律,得到更加精確的定量結(jié)果.

本文從奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣檢測(cè)技術(shù)出發(fā),針對(duì)裂紋缺陷測(cè)量中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了理論分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了誤差修正,總結(jié)了誤差規(guī)律.最后比較了奧氏體不銹鋼管道焊縫自然裂紋高度的相控陣直接檢測(cè)結(jié)果、修正檢測(cè)結(jié)果以及裂紋高度設(shè)計(jì)值,驗(yàn)證了修正結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 裂紋高度測(cè)量誤差分析

選用相控陣探頭進(jìn)行奧氏體不銹鋼缺陷檢測(cè)時(shí),一般優(yōu)先選擇縱波探頭,因?yàn)閷?duì)粗晶材料而言,同樣的聲束與晶粒成長(zhǎng)方向夾角下,縱波比橫波的波束偏轉(zhuǎn)角度要小,聲衰減更小[12],可以獲得更好的聲束穿透性.為避免由界面或楔塊回波造成的雜亂波影響,可采用一發(fā)一收式雙晶探頭,提高檢測(cè)的信噪比.雙晶縱波斜探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示.楔塊有兩個(gè)傾斜角度,一個(gè)決定聲束傳播方向的傾角,定義為楔塊名義角γ,另一個(gè)決定繞入射聲束軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,定義為屋頂角θ(roof角).定義聲束在工件中傳播的距離為聲程S.

圖1 雙晶縱波斜探頭結(jié)構(gòu)和聲束傳播發(fā)射圖

1.1 裂紋高度測(cè)量方法

測(cè)量裂紋高度的主要依據(jù)是惠更斯原理,常用的裂紋缺陷高度超聲測(cè)量方法一般有常規(guī)超聲法(主要包括端點(diǎn)衍射法、端點(diǎn)反射回波法、相對(duì)靈敏度法)、超聲衍射時(shí)差TOFD法、相控陣超聲檢測(cè)法[13].超聲衍射時(shí)差TOFD法需要將發(fā)射探頭和接收探頭對(duì)稱分布于焊縫兩側(cè)進(jìn)行檢查,此處不做詳細(xì)介紹.常規(guī)超聲檢測(cè)法測(cè)量裂紋高度原理如圖2所示,當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷顯示有端點(diǎn)信號(hào)時(shí),利用該信號(hào)測(cè)量缺陷高度,但其探頭聲束角度單一,操作較為復(fù)雜繁瑣且結(jié)果不直觀.相控陣超聲檢測(cè)法通過(guò)對(duì)各陣元的有序激勵(lì)可得到靈活的偏轉(zhuǎn)及聚焦聲束[14],采用扇掃的方式測(cè)量裂紋高度,有效地彌補(bǔ)了常規(guī)超聲法的缺點(diǎn),提高了檢測(cè)效率,其原理如圖3所示.(T為焊縫厚度;H為缺陷高度;h為缺陷端點(diǎn)到探測(cè)面的垂直距離)

圖2 常規(guī)超聲方法測(cè)高

圖3 超聲相控陣測(cè)高

1.2 裂紋高度理論修正方法

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,雙晶探頭測(cè)量缺陷深度會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差.為說(shuō)明誤差原因,取雙晶探頭的聲束發(fā)射部分,其視圖如圖4～5所示.

圖4 聲束發(fā)射側(cè)視圖

圖5 聲束發(fā)射正視圖

點(diǎn)A為聲束在試塊上的入射點(diǎn),點(diǎn)B為缺陷位置,設(shè)其深度為H.由于雙晶楔塊屋頂角的存在,使得聲束在試塊中的實(shí)際折射偏轉(zhuǎn)角是空間立體的,設(shè)其在試塊側(cè)面的投影角度為α,正面的投影角度為α′,設(shè)超聲波在楔塊內(nèi)的傳播速度為c1,試塊內(nèi)的傳播速度為c2,根據(jù)折射定律有:

如圖1所示,定義聲束在試塊內(nèi)的傳播距離為聲程S,則圖4側(cè)視圖中所顯示的l AB是聲程S在側(cè)面上的投影,即

則缺陷深度為:

同理,圖5正視圖中的l A′B′是聲程S在正面的投影:

缺陷深度:由式(4)、(6)可知,從側(cè)面和正面進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果是相同的.常規(guī)楔塊并不存在屋頂角θ,聲束在試塊中的實(shí)際折射偏轉(zhuǎn)角是平面的,并不存在正面的投影角度,或者說(shuō)α′=0,則缺陷深度計(jì)算結(jié)果為:

由式(6)、(7)可知,屋頂角θ的存在對(duì)于缺陷深度計(jì)算方式的影響是顯而易見的.傳統(tǒng)超聲檢測(cè)設(shè)備一般根據(jù)式(7)計(jì)算缺陷深度,即便更換雙晶楔塊,也仍然采用常規(guī)楔塊缺陷深度計(jì)算方式,因此誤差難以避免.因而需要對(duì)缺陷深度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正,盡量消除誤差影響,進(jìn)一步提高檢測(cè)精度.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如前所述,雙晶縱波斜探頭屋頂角的存在影響了缺陷深度的測(cè)量結(jié)果,但在奧氏體不銹鋼的超聲相控陣檢測(cè)中,這不是唯一的誤差原因.超聲相控陣具有常規(guī)超聲無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但歸根結(jié)底仍是超聲檢測(cè)技術(shù)的一種,并沒(méi)有改變超聲波的產(chǎn)生與傳播的物理基礎(chǔ)[11].在奧氏體不銹鋼復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)中仍會(huì)有不同程度的衰減與散射,同時(shí)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生誤差影響.因此僅從理論上無(wú)法對(duì)相控陣缺陷檢測(cè)深度進(jìn)行修正,需要對(duì)試塊不同深度的缺陷孔進(jìn)行深度測(cè)量實(shí)驗(yàn),采用數(shù)學(xué)修正的方法得到缺陷深度測(cè)量值與真實(shí)深度之間的誤差規(guī)律,以此提高裂紋定量精度.

2.1 修正實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用奧氏體不銹鋼試塊如圖6所示,用于修正雙晶相控陣的缺陷深度測(cè)量值.試塊長(zhǎng)350 mm,寬60 mm,高130 mm,標(biāo)準(zhǔn)反射體為7個(gè)尺寸為Φ2×60 mm的橫通孔,各橫通孔位置如圖6所示,序號(hào)分別為1～7.實(shí)驗(yàn)采用64通道的Dynaray超聲相控陣設(shè)備,相控陣探頭頻率為2.25 MHz,采用縱波檢測(cè),發(fā)射晶片與接收晶片數(shù)量均為30個(gè),孔徑為19 mm×12 mm,楔塊名義偏轉(zhuǎn)角γ為45°,屋頂角4°.設(shè)置相控陣聚焦深度為70 mm,聚焦形式為真實(shí)深度聚焦,扇掃角度范圍為20～80°,步進(jìn)1°.

圖6 缺陷試塊

檢測(cè)時(shí),來(lái)回移動(dòng)探頭尋找缺陷回波,調(diào)整增益并觀察回波幅值,當(dāng)A掃圖像峰值具有最高點(diǎn)時(shí),所對(duì)應(yīng)的橫軸數(shù)值就是該缺陷的深度測(cè)量值.依次記錄各缺陷孔的深度測(cè)量值.通孔缺陷定位結(jié)果及誤差見表1.

表1 橫通孔定位結(jié)果及誤差 (單位:mm)

由表1可知,測(cè)量值普遍偏大,與標(biāo)準(zhǔn)值之間存在明顯的誤差.70 mm附近缺陷深度誤差最小,遠(yuǎn)離該處誤差增大,這是因?yàn)橄嗫仃嚲劢股疃仍O(shè)置為70 mm,該處附近靈敏度最高,離開該處,靈敏度下降.距表面較近的缺陷,除檢測(cè)靈敏度下降外,也有可能受近場(chǎng)區(qū)影響,若缺陷位于近場(chǎng)區(qū),則其中心可能處于聲場(chǎng)的極小值點(diǎn),這樣其回波最高處便位于缺陷中心兩側(cè),因而產(chǎn)生定位誤差.較深處的缺陷,除檢測(cè)靈敏度下降外,也可能由于聲能減小,受材料粗大晶粒結(jié)構(gòu)影響,超聲波散射和衰減嚴(yán)重,導(dǎo)致回波信號(hào)變?nèi)?使缺陷定位產(chǎn)生誤差.因此,誤差呈現(xiàn)出先大后小而后又變大的規(guī)律.

由王春艷[15]等采用不同K值探頭進(jìn)行的表面開口裂紋高度的測(cè)定結(jié)果可知,表面開口裂紋高度測(cè)量值與實(shí)際值之間近似呈線性關(guān)系.由于表面開口裂紋處于開放狀態(tài),其裂紋下端點(diǎn)深度即為裂紋高度,測(cè)量過(guò)程與本修正實(shí)驗(yàn)測(cè)量橫孔深度有相似之處,因此可以參考其擬合方法,認(rèn)為相鄰橫孔缺陷的測(cè)量值與真實(shí)值之間也是線性關(guān)系,符合回歸函數(shù):

其中,標(biāo)準(zhǔn)孔深為自變量,測(cè)量深度為因變量.同理,其余相鄰橫孔之間測(cè)量值與真實(shí)值變化關(guān)系都是線性的,不同深度的測(cè)量值采用相應(yīng)區(qū)間的線性函數(shù)進(jìn)行修正.在后續(xù)對(duì)裂紋高度的定量檢測(cè)過(guò)程中,對(duì)裂紋上下端部回波信號(hào)所顯示的測(cè)量深度,分別應(yīng)用相應(yīng)區(qū)間的線性函數(shù)進(jìn)行修正,利用修正后的裂紋下端點(diǎn)深度減去上端點(diǎn)深度,即可得到更精確的裂紋高度.

2.2 裂紋高度測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)采用64通道的Dynaray超聲相控陣設(shè)備,試塊為帶自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊,如圖7所示,外徑為273 mm,壁厚30 mm,試件中缺陷均為平面型缺陷,缺陷類型包括內(nèi)表面缺陷,外表面缺陷和埋藏缺陷.缺陷設(shè)計(jì)尺寸見表2,試塊及缺陷位置示意圖如圖8所示.

圖7 奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊

圖8 焊縫坡口放大圖及缺陷位置示意圖

表2 試塊人工缺陷列表

實(shí)驗(yàn)所用探頭與2.1修正實(shí)驗(yàn)探頭相同,楔塊參數(shù)也相同.不同的是修正實(shí)驗(yàn)所用楔塊用于平面試塊缺陷垂直深度的測(cè)量,而此次實(shí)驗(yàn)需要對(duì)管道環(huán)焊縫裂紋高度進(jìn)行測(cè)量,因此需要改變楔塊曲率,使其與管道試塊外表面耦合.同時(shí)利用圖9、10所示的參數(shù)測(cè)量試塊進(jìn)行校準(zhǔn),消除曲率帶來(lái)的影響,使其可以從周向和軸向兩個(gè)方位對(duì)管道裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè),得到缺陷的周向和軸向深度.

圖9 弧面R160的軸向探頭參數(shù)測(cè)量試塊正視圖與側(cè)視圖

圖10 弧面R160的周向探頭參數(shù)測(cè)量試塊正視圖與側(cè)視圖

校準(zhǔn)完成后,即可對(duì)管道試塊進(jìn)行相控陣檢查.發(fā)現(xiàn)缺陷后,利用裂紋缺陷上下端點(diǎn)回波信號(hào)測(cè)高.由于試塊壁厚30 mm,因此僅需30 mm以內(nèi)缺陷的線性修正公式,依次為f(x)=1.45x,缺陷深度測(cè)量值區(qū)間為0～14.50 mm;f(x)=0.851x+5.99,缺陷深度測(cè)量值區(qū)間為14.50～23.01 mm;f(x)=0.919x+4.63,缺陷深度測(cè)量值區(qū)間為23.01～32.20 mm.將相控陣的直接檢查結(jié)果,修正后的檢查結(jié)果,以及缺陷的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較.結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3.

表3 試塊的缺陷高度超聲測(cè)試及修正結(jié)果(單位:mm)

某缺陷的相控陣扇掃圖像如圖11所示,深色區(qū)域即裂紋端點(diǎn),縱軸表示其深度,利用閘門分別選取上下端點(diǎn)回波最高的位置深度,兩深度之差即裂紋高度的相控陣直接檢查結(jié)果.

圖11 裂紋缺陷相控陣扇掃圖像

從表3可知,采用超聲相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)奧氏體不銹鋼管道焊縫中各類裂紋缺陷的檢測(cè).相控陣直接檢查結(jié)果,修正檢查結(jié)果的誤差范圍和均方根誤差對(duì)比見表4.

表4 定量結(jié)果的誤差范圍與均方根誤差(單位:mm)

3 結(jié) 論

針對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的超聲相控陣檢測(cè),本文介紹了雙晶縱波超聲技術(shù)的優(yōu)勢(shì),理論分析了雙晶楔塊屋頂角對(duì)裂紋高度測(cè)量造成的誤差影響,并進(jìn)行了修正實(shí)驗(yàn)和自然裂紋高度測(cè)量實(shí)驗(yàn),結(jié)果如下:

1)對(duì)于缺陷定量中出現(xiàn)的測(cè)量誤差,利用帶不同深度橫孔的奧氏體不銹鋼試塊進(jìn)行修正實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明相控陣聲束聚焦區(qū)域誤差最小,遠(yuǎn)離聚焦區(qū)域誤差增大.采用線性模型擬合相鄰橫孔區(qū)間的深度測(cè)量值與真實(shí)值,根據(jù)該規(guī)律對(duì)缺陷深度測(cè)量值進(jìn)行修正.

2)對(duì)奧氏體不銹鋼管道焊縫試塊的自然裂紋缺陷進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè),對(duì)比裂紋高度的直接檢測(cè)結(jié)果、修正檢測(cè)結(jié)果和高度設(shè)計(jì)值,發(fā)現(xiàn)修正后的裂紋高度誤差范圍和均方根誤差都有所減小,更加接近裂紋真實(shí)高度,驗(yàn)證了該修正方法的有效性,同時(shí)提高了超聲相控陣的裂紋測(cè)量精度.